ABSTRACT Polylactide (PLA) is the most widely utilized biopolymer in medicine. However, chronic inflammation and excessive fibrosis resulting from its degradation remain significant obstacles to extended clinical use. Immune cell activation has been correlated to the acidity of breakdown products, yet methods to neutralize the pH have not significantly reduced adverse responses. Using a bioenergetic model, we observed delayed cellular changes that were not apparent in the short-term. Amorphous and semi-crystalline PLA degradation products, including monomeric L-lactic acid, mechanistically remodel metabolism in cells leading to a reactive immune microenvironment characterized by elevated proinflammatory cytokines. Selective inhibition of metabolic reprogramming and altered bioenergetics both reduce these undesirable high cytokine levels and stimulate anti-inflammatory signals. Our results present a new biocompatibility paradigm by identifying metabolism as a target for immunomodulation to increase tolerance to biomaterials, ensuring safe clinical application of PLA-based implants for soft- and hard-tissue regeneration, and advancing nanomedicine and drug delivery.

Composite biomaterials comprising polylactide (PLA) and hydroxyapatite (HA) are applied in bone, cartilage and dental regenerative medicine, where HA confers osteoconductive properties. However, after surgical implantation, adverse immune responses to these composites can occur, which have been attributed to size and morphology of HA particles. Approaches to effectively modulate these adverse immune responses have not been described. PLA degradation products have been shown to alter immune cell metabolism (immunometabolism), which drives the inflammatory response. Accordingly, to modulate the inflammatory response to composite biomaterials, inhibitors were incorporated into composites comprised of amorphous PLA (aPLA) and HA (aPLA + HA) to regulate glycolytic flux. Inhibition at specific steps in glycolysis reduced proinflammatory (CD86

Abstract Composite biomaterials comprising polylactide (PLA) and hydroxyapatite (HA) are applied in bone, cartilage and dental regenerative medicine, where HA confers osteoconductive properties. However, after surgical implantation, adverse immune responses to these composites can occur, which have been attributed to size and morphology of HA particles. Approaches to effectively modulate these adverse immune responses have not been described. PLA degradation products have been shown to alter immune cell metabolism, which drives the inflammatory response. Therefore, we aimed to modulate the inflammatory response to composite biomaterials by regulating glycolytic flux with small molecule inhibitors incorporated into composites comprised of amorphous PLA (aPLA) and HA (aPLA+HA). Inhibition at specific steps in glycolysis reduced proinflammatory (CD86 + CD206 - ) and increased pro-regenerative (CD206 + ) immune cell populations around implanted aPLA+HA resulting in a pro-regenerative microenvironment. Notably, neutrophil and dendritic cell (DC) numbers along with proinflammatory monocyte and macrophage populations were decreased, and Arginase 1 expression among DCs was increased. Targeting immunometabolism to control the inflammatory response to biomaterial composites, and creating a pro-regenerative microenvironment, is a significant advance in tissue engineering where immunomodulation enhances osseointegration, and angiogenesis, which will lead to improved bone regeneration.

Abstract Circulating monocytes infiltrate and coordinate immune responses in various inflamed tissues, such as those surrounding implanted biomaterials, affecting therapeutic, diagnostic, tissue engineering and regenerative applications. Here, we show that immunometabolic cues in the biomaterial microenvironment govern CCR2- and CX3CR1-dependent trafficking of immune cells, including neutrophils and monocytes; ultimately, this affects the composition and activation states of macrophage and dendritic cell populations. Furthermore, immunometabolic cues around implants orchestrate the relative composition of proinflammatory, transitory and anti-inflammatory CCR2 + , CX3CR1 + and CCR2 + CX3CR1 + immune cell populations. Consequently, modifying immunometabolism by glycolytic inhibition drives a pro-regenerative microenvironment in part by myeloid cells around amorphous polylactide implants. In addition to, Arginase 1-expressing myeloid cells, T helper 2 cells and γδ + T-cells producing IL-4 significantly contribute to shaping the metabolically reprogramed, pro-regenerative microenvironment around crystalline polylactide biomaterials. Taken together, we find that local metabolic states regulate inflammatory processes in the biomaterial microenvironment, with implications for translational medicine.

Abstract During the foreign body response, immune cells are metabolically rewired after exposure to breakdown products of various biomaterials, including polylactide (PLA) and polyethylene. Particles of polyethylene interact with Toll-like receptor 4 on macrophages, resulting in increased oxygen consumption that forms reactive oxygen species at complex I of the mitochondrial electron transport chain (mETC). However, PLA degradation products bind to monocarboxylate transporters for downstream signaling with elevated oxygen consumption rates, whose functional implication is unclear and remains inferred from cellular responses to polyethylene biomaterials. By chemically probing the function of the mETC, we show that proinflammatory macrophages activated by exposure to amorphous PLA (aPLA) breakdown products rely on mitochondrial respiration for ATP production, independent of oxygen consumption rates. In contrast, macrophages activated by semi-crystalline PLA (cPLA) breakdown products exhibit a metabolic phenotype wherein ATP levels are unaffected by changing oxygen consumption rates. In subcutaneous implants, the incorporation of metformin in aPLA or cPLA to chemically inhibit complex I did not effectively modulate the proinflammatory response to biomaterials, suggesting that PLA degradation products elicit a distinct metabolic program, thus providing an alternative perspective on the role of mitochondrial respiration in the inflammatory response to biomaterials.